玩转SAUSG—预应力梁模拟

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   —预应力梁模拟

引言

预应力是为了改善结构受力表现，在施工期间预先施加压应力，结构服役期间预加压应力可全部或部分抵消载荷导致的拉应力，避免结构开裂和破坏。常用于大跨度混凝土结构和桥梁结构中。

在大震弹塑性分析中预应力作用模拟较为复杂：第一，预应力钢筋形状复杂，建模困难，通常为抛物线或悬链线等形式；第二，预应力钢筋存在初始张拉力，需要单独定义加载工况。

本文介绍了两种在SAUSG软件中便捷实现预应力建模和模拟的方法。

01

算例简介

某钢筋混凝土结构，第5层楼面部分区域跨度较大，采用预应力混凝土梁，跨度为23.7m，梁截面为500×1400mm，预应力钢筋由两根10股d15.2钢绞线组成，预张拉力为2850kN，如下图所示。

图1-1 结构第5层平面布置图

（红色阴影区域为预应力构件）

分析模型

02

分别建立三个SAUSG分析模型进行对比：模型A（不考虑预应力钢筋作用）、模型B（预应力钢筋直接建模模拟）、模型C（采用等效荷载法模拟预应力钢筋作用），并选择一组人工波（RH1TG065）进行动力弹塑性时程分析，三方向加速度峰值分别为220cm/s²、187cm/s²、143cm/s²。

图2-1地震波加速度时程曲线

模型A-不考虑预应力钢筋作用

图2-2结构初始分析模型

模型B-预应力钢筋直接建模

预应力钢筋采用抛物线形式布置，跨中偏心距为1m，如下图所示。预应力钢筋定义初应变荷载，初应变为

。

图2-3预应力钢筋布置示意图

模型C-等效荷载法

通过一组等效荷载来代替预应力筋对梁的作用。

假设梁构件均为简支梁，如下图所示，预应力钢筋预张拉力为Np=2850kN，梁跨度L=23.7m，采用抛物线形预应力筋，跨中偏心距e=1m。

图2-4预应力钢筋等效荷载示意图

等效均布力

（向上）；

支座水平反力

支座竖向反力

03

整体结果

模型A~模型C整体指标对比如下，结构基本周期和整体计算结果基本一致，说明本算例预应力作用对结构整体指标影响较小。

表3-1整体指标对比

图3-1结构整体指标曲线

静力荷载作用

04

静力荷载作用下，预应力梁和支撑柱对比结果如下表所示。结果表明，预应力作用下，梁构件跨中国挠度和混凝土应变均变小。模型B在预应力张拉过程中，构件出现起拱效果，模型C等效荷载与结构静力荷载同时施加，未体现出起拱效果。

表4-1静力荷载作用下构件计算结果对比

图4-1静力荷载作用下梁跨中挠度变化曲线

05

地震荷载作用

地震荷载作用下，模型B和模型C均能考虑预应力钢筋的作用，降低框架梁跨中挠度，减小跨中混凝土拉应变，降低钢筋的应变水平，并且计算结果基本一致。主要结果如下：

整体指标

地震荷载作用下，结构预应力构件变形和框架柱内力对比如下表所示。结果表明，若不考虑预应力钢筋作用，则梁挠度和混凝土应变较大，模型B和模型C均可考虑预应力钢筋作用，结果较接近。

表5‑1 构件计算结果对比（地震）

钢筋应变

图5‑1 预应力梁及框架柱钢筋应变水平对比

梁挠度

图5-2梁跨中挠度对比

梁混凝土拉应变

图5-3梁跨中混凝土拉应变对比

预应力钢筋

模型B可考虑预应力钢筋的应力变化，如下图所示：

图5-3预应力钢筋应力变化对比

柱混凝土内力

地震荷载作用下，结构预应力构件变形和框架柱内力对比如下表所示。结果表明，若不考虑预应力钢筋作用，则梁挠度和混凝土应变较大，模型B和模型C均可考虑预应力钢筋作用，结果较接近。

图5-4框架柱弯矩对比

图5-5框架柱轴力对比

结论

06

(1) SAUSG软件2021版本中新增了预应力钢筋直接建模与模拟方法，可以准确地模拟预应力钢筋的作用；

(2) 预应力钢筋直接建模法与等效荷载法均能较好地模拟预应力钢筋对结构的作用，直接建模法可以方便地实现预应力构件非线性仿真模拟。

07

参考文献

[1] 宁华,王凤军,王德凯. 预应力混凝土连续梁的荷载平衡法. 交通科技与经济:2003(3)